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恒压供水控制系统设计毕业论文

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恒压供水控制系统设计

摘要

本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水，对系统的硬件设计进行了详细的介绍，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。

恒压供水系统的基本控制策略是：

采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，完成供水压力的恒定控制，使管网流量变化达到稳定供水压力的目的。

系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入PLC运算处理后，发出控制指令，控制电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

关键字：

变频调速；恒压供水；PLC

Constantpressurewatersupplysystem

Abstract

ThispaperanalyzesthestructureofVFspeedregulatingconstant-pressurewatersupplyandproposesseveralcontrolmethods.Bycarefulstudyandcomparison,PLCandinverter'smethodfitswatersupplysystemverywell.FinallythepapershowsthedesignofconstantpressuresupplywatercontrolleraccordingtoPIDdataanddetailedintroductionofitssoftwareandhardware.Inthispaper,WaterSupplySystemofthebasiccontrolstrategyis:

Themotordrivedeviceandtheprogrammablelogiccontroller（PLC）controlsystemconstituteacompletewaterpressureconstantcontroltoachievestableflowchangepipewaterpressurepurposes.Watersupplysystemsetpressure,andthefeedbackofthemainspressuretocomparetheactualvalue,thedifferencebetweentheinputtransduceroperationprocessing,theissuecontrolinstructionstocontrolthemotorspeed,soastoachievestablewatersupplymainspressuretothepressurevalueontheset.

Keyword:

Speed-frequencyvariable，Constantpressurewatersupply，PLC

第1章工艺描述

1.1前景

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。

把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

1.2国内外研究概况

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。

应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。

从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。

即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。

它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。

这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。

但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。

原深圳华为（现已更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环（丹麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。

该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。

因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。

采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。

这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件，实际上给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。

因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。

变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。

以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。

1.3总体策略和知识点

恒压供水控制系统的基本控制策略是：

采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行对水泵电机的调速运行，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力的目的。

系统设定的给水压力与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的转速，从而达到压力稳定在设定的压力值上。

本设计中自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器。

因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警等功能，所以在一些高标准控制系统中被广泛使用。

在市政供水管网中：

自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。

随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。

在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统变量供水方式已显现出极大的优越性。

本设计主要用到以下硬件：

调节阀、投入式液位计、浮球式液位计、电机水泵、电磁阀、逆止阀、远程压力表等。

主要涉及的知识点有：

S7-200PLC的模拟模块EM235，，CPU226编程软件，PID数字化算法，调节阀，电磁阀，压力变送器，等。

1.4恒压供水工艺图

图1.1恒压供水工艺图

上图中

（1）为调节阀、

（2）为投入式液位计、（3）为浮球式液位计、（4）为电机水泵、（5）为电磁阀、（6）为逆止阀、（7）为远程压力表。

1.5工艺描述总结

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。

因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

第2章变频调速恒压供水系统简介

2.1水泵供水的主要参数

2.1.1流量

流量是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是Q，常用单位是m3/s、m3/min、m3/h等.供水系统的基本任务是满足用户的流量需求。

2.1.2扬程

扬程是单位质量的水被上扬时所获得的能量，符号是H，常用单位是m。

扬程主要包括三个方面：

第一是提高水位所需的能量；第二是克服水在管网中流动时所需的能量；第三是使水流具有一定流速所需的能量。

由于在同一管路中，上述的第二和第三是基本不变的，在数值上也相对较小。

可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。

因此，在同一管路内进行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一位置时，用水位的变化量（即水位差）代表扬程。

2.1.3全扬程

全扬程也称为总扬程或水泵扬程，全扬程是说明水泵的泵水能力的物理量。

包括把水从水池的水面上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，符号是HT。

2.1.4实际扬程

实际扬程即通过水泵提高的水位所需的能量，符号是HA。

2.1.5损失扬程

全扬程与实际扬程之差，即损失扬程，符号是HL，HT、HA和HL之间的关系是:

HT=HA+HL（2-1）

2.1.6管阻

管阻是管道系统包括水管、阀门等对水流阻力的物理量，符号是R。

通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。

2.2供水系统的基本特性

供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f（Q），如图2.1所示。

由图2.1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。

由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系。

而管阻特性是以水泵转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H=f（Qu）。

管阻特性反映了水泵的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。

由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。

由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。

因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qg之间的关系H=f（Qg）。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。

在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qg处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

图2.1供水系统的基本特性曲线

2.3水泵调速运行的节能原理

在供水系统中，通常以流量为控制对象，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法是通过调节阀门开度的大小来调节流量，水泵电机转速保持不变。

其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。

由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。

转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。

因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。

变频调速供水方式属于转速控制。

其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

图2.2为管网及水泵的特性曲线。

图2.2水泵的H-Q特性曲线

当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从β3移到β1，扬程特性曲线不变。

而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2，F，H1）围成矩形部分，其值为：

PF=H1*ƴ*Q2/102ƞ（2-2）

当用调速控制时，若采用恒压（H0）、变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为β2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。

此时水泵输出功率用图形表示为（0,Q2，D，H0）围成的矩形面积，其值为:

PD=H0*ƴ*Q2/102ƞ（2-3）

可见改用调速控制，节能量为（H0,D，F，H1）围成的矩形面积，其值为:

△P=PF-PD=ƴ（H1-H0）Q2/102ƞ（2-4）

所以，当用阀门控制流量时，有功率△P功率被浪费掉。

并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。

根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H，功率P与转速N之间关系为:

Q2/Q1=N2/N1；H2/H1=（N2/N1）2；P2/P1=（N2/N1）3（2-5）

式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。

由公式（2-5）可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。

2.4变频恒压供水系统特点

变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:

（1）供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量（如:

温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性。

同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

（2）用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

（3）变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

（4）在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泉的停止和运行）是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

（5）当出现意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。

在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

（6）水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。

（7）用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

2.5变频恒压供水控制方式的选择

目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：

1、逻辑电子电路控制方式

这类控制电路难以实现水泵软启动、全流量变频调节。

因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。

2、单片微机电路控制方式

这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。

电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。

3、带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式

该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。

实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。

传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。

压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。

还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

考虑以上三种方案后，此次设计采用第三种方案。

2.6变频构成恒压供水系统的构成及工作原理

2.6.1系统的构成

图2.3系统原理图

如图2.3所示，整个系统由一台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力变送器及若干辅助部件构成。

水泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用；变频供水系统中检测管路压力采用压力变送器（反馈4～20mA电流）；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。

从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、以及报警装置等部分组成。

（1）执行机构

执行机构是由水泵组成，它用于将水供入用户管网，水泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

（2）信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:

①水压信号：

它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

②报警信号：

它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

（3）控制系统

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。

①供水控制器：

它是整个变频恒压供水控制系统的核心。

供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。

②变频器：

它是对水泵进行转速控制的单元。

变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

③电控设备：

它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。

用于在供水控制器的控制下完成手/自动切换。

（4）通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。

（5）报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。

由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

2.6.2工作原理

合上空气开关，供水系统投入运行。

将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通QS1，并起动变频器。

根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。

变频器根据频率给定信号控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。

2.7变频调速原理

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电